佐治亚理工学院的一项新研究表明,大象的肌肉并不是它伸展鼻子的唯一方式——它折叠的皮肤也起着重要作用。肌肉和皮肤的结合使这种动物具备了抓取脆弱植被和撕裂树干的能力。
这项与亚特兰大动物园合作的研究发现,大象的皮肤并不是均匀拉伸的。象鼻的顶部比底部更灵活,当大象长到10%以上时,这两个部分开始分叉。当伸展身体以获取食物或物体时,躯干的背侧部分会进一步向前滑动。
这一发现可能会改进机器人技术,目前的机器人通常要么是强度大,要么是灵活性强。与大象的鼻子不同,机器不能两者兼得。
作为一个例子,该研究的作者指出了软机器人。它们充满液体的腔体允许灵活的运动,但在施加力时很容易破裂。研究人员表示,大象的研究结果表明,用类似皮肤的结构包裹软机器人可以在保持灵活性的同时为机器提供保护和力量。
这篇论文发表在美国国家科学院院刊(PNAS去年夏天,佐治亚理工学院的同一个研究小组撰写了一项关于大象如何使用鼻子肌肉吸入食物和水的研究。
“当人们伸出舌头时——舌头是一种充满肌肉的无骨组织,其组成与大象的鼻子相似——它会均匀地伸展。这项研究的主要作者、佐治亚理工学院乔治·w·伍德拉夫机械工程学院的博士生安德鲁·舒尔茨说:“当我们挑战大象去拿食物时,我们也有同样的预期。”他和摄制组在亚特兰大动物园拍摄了两只非洲大草原大象伸手去拿麦麸块和苹果的场景。
“但当我们看了高速摄像机拍摄的画面,并绘制出后备箱的移动轨迹时,我们感到很惊讶。“顶部和底部根本不一样,”舒尔茨说。
看完视频后,舒尔茨拉伸了一头大象的解剖组织,以更好地了解皮肤的弹性。那时他发现,折叠的皮肤顶部比皱巴巴的底部柔韧性高15%。也是在这个时候,研究小组意识到他们在视频中看到的不仅仅是肌肉运动。他们也在追踪一层厚厚的皮肤。
“灵活的皮肤褶皱是大象的创新,”舒尔茨的顾问、伍德拉夫学院和生物科学学院的教授戴维·胡(David Hu)说。“它们保护背部,使大象更容易向下伸手,这是捡东西时最常见的抓握方式。”
佐治亚理工学院的研究还发现,大象的鼻子在另一个方面不同于自然界中发现的其他无骨、充满肌肉的附属物,比如鱿鱼和章鱼的触手。大象不是均匀地伸展,而是像雨伞一样伸直鼻子,逐渐拉长成波浪状。
大象首先伸展包括鼻尖在内的部分,然后是相邻的部分,依此类推,逐渐向身体延伸。舒尔茨说,向基地的进步运动是有意为之。
“大象就像人一样:它们很懒,”他说。“躯干末端的部分是1升肌肉。最靠近嘴巴的部分有11-15升的肌肉。大象会先伸展鼻子的末端,然后是相邻的部分,因为它们更容易移动。如果大象不需要非常努力地去够某样东西,它就不会去。”
舒尔茨说,他不得不依靠1908年的一幅图来学习大象的躯干解剖学,因为在上个世纪,科学家和工程师对大象的生物力学研究并不多。他对大象的好奇部分是基于帮助它们;他认为,更好地了解动物将有助于更好地保护动物。作为一名机械工程师,舒尔茨也看到了机器人技术的应用。
“以生物为灵感设计的软体机器人总是基于肌肉运动。如果它们被一层保护性的皮肤包裹起来,就像大象充满肌肉的鼻子一样,机器可以施加更大的力,”他说。“去年我们了解到树干是一种多用途的肌肉静水器。现在我们知道皮肤是另一种可供使用的工具。”
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